Магнитоупругий датчик усилий Советский патент 1985 года по МПК E21B19/00 G01L1/12 

Изобретение относится к контролю и управлению процессом бурения и предназначено- для измерения усилий, возникающих в рабочих органах машин в частности в канатах при их натяжении. Известен забойный датчик для измерения усилий в колонне бурильных труб, содержащий упругий чувствител ный элемент с ферромагнитньм сердеч НИКОМ и сектором для крепления. Это датчик индукционного типа. Принцип преобразования усилия в сигнал в ви напряжения значительно отличает это датчик от широко распространенных магнитоупругих датчиков Cl2Недостатками этого датчика являются низкие надежность и чувствител ность, обусловленные индукционным принципом преобразования. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитоупругий датчик усилий, содер жащий измерительные катушки, катушк возбуждения, компенсационный и чувствительный элементы и магнитопровод. Датчик содержит чувствительный и компенсационный элемент, два внут ренних магнитопровода, выполненных из пакетов электротехнической стали две катушки возбуждения, две измерительные катушки, сферические подпятник и пяту, опору и корпус. Одна катушка возбуждения и одна изм , рительная катушка расположены на одно магнитопроводе, вторая катушка возбуждения и вторая измерительная катушка расположены на втором магни топроводе, а магнитопроводы помещены внутри чувствительного и компенсационного элементов и расположены один над другим. Причем измерительная катушка, расположенная внутри компенсационного элемента, соединена встречно-последовательно со второй измерительной катушкой, расположенной внутри чувствительного элемента, который одной плоскостью опирается на опору, а другой - на пяту, на которой находится подпятник . Датчик работает следующим Образом. Когда нагрузка равна нулю, магнит ные потоки, создаваемые катушками возбуждения, проходят через магнитопроводы -ИЗ электротехнической стали и чувствительный и компенсационный элементы. При этом ЭДС, наводимые в измерительных катушках, равны по величине и на выходе датчика напряжение равно нулю. Во время измерения усилие передается через сферические подпятник и пяту к чувствительному элементу, а от него через опору к корпусу. Так как компенсационный элемент остается ненагруженным, а внутри чувствительного элемента возникают сжимакнцие механические напряженияi изменяющие его магнитные характеристики, то на выходе измерительных обмоток появляется напряжение, пропорциональное усилию. Верхнему пределу измерения усилия (50 кН) соответствует напряжение, равное 2BC2J. Однако известный датчик имее-т низкую чувствительность, обусловленную тем, что при измерении происходит изменение магнитного потока, на.водимого катушкой возбуждения, только в чувствительном элементе. Это не позволяет использовать его в системах автоматического контроля без дополнительных элементов. Кроме того, он сложен конструктивно и имеет высокую стоимость, так как имеет две катушки возбуждения и два магнитопровода, которЫе расположены один над другим и выполнены из пакетов электротехнической стали, а на катушку возбуждения подается напряжение высокой частоты от дополнительного источника питания. Цель изобретения - повышение чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что известный магнитоупругий дат чик усилий, содержащий измерительные катушки, катушку возбуждения, компенсационный и чувствительный элементы и магнитопровод, снабжен дополнительными чувствительными,-компенсационными элементами и измерительными катушками,, а магнитопровод выполнен в виде цилиндрической катушки с обмоткой возбуждения, при этом чувствительные и компенсационные элементы расположены по окружности попарно на равноудаленном расстоянии друг от друга, а их продольные оси параллельны продольной оси катушки магнитопровода. На фиг. 1 изображен датчик, общий внц; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг . 1 . В корпусе 1 датчика помещен магнитопровод 2. Внутри магнитопровода помещены чувствительные элементы 3, компенсационные элементы 4 и катушка 5 возбуждения. Измерительные катушки 6 и 7 расположены на чувствительных элементах 3 и Компенсационных элементах 4 соответственно. Чувствительные элементы 3 одной торцовой поверхностью опираются на опору, которой служит дно корпуса 1, а другой торцовой стороной касаются пяты 8. Компенсационные элементы 4 торцовыми поверхностями не касаются ни опоры (дно корпуса 1), ни пяты 8. Чувствительные 3 и компенсационные 4 элементы расположены по окружности магнитопровода попарно на равноудаленном расстоянии друг от др га, причем чувствительные элементы 3 выполнены по высоте больше, чём компенсационные элементы 4, Датчик работает следующим образом При усилии, равном нулю, напряжение на выходе датчика отсутствует, так как магнитные потоки (см. фиг. 2) которые проходят через чувствитель ные 3 и компенсационные 4 элементы, равны между собой. С приложением уси лия пята 8 давит на чувствительные элементы 3, которые опираются на дно корпуса. Механические напряжения, во никающие внутри чувствительных элементов 3, изменяют их магнитную проницаемость, что приводит к изменению магнитного сопротивления чувствитель ных элементов 3. В результате происходит перераспределение магнитных потоков между чувствительными 3 и ко пенсационными 4 элементами, ввиду ненагруженности последних. Перераспределение магнитных потоков вызывае изменение величины напряжения, наво96димого в измерительных катушках 6 и 7. В результате на выходе датчика появится напряжение, которое пропорционально приложенному усилию. Выходная характеристика датчика при напряжении питания катушки возбуждения равном 12 и 24 В и нагрузке на выходе датчика 2,2 кОм линейна. Эта характеристика получена с использованием образцового динамометра ДС-5 конструкции ЮЗИМ и В. Испытанный датчик имеет.верхний предел измерения .равный 50 кН при допустимой нагрузке, равной 100 кН. Проверка термостабильности датчика в интервале температур от -30 до ЗОС показала, что погрешность измерения изменяется в пределах 1-2%. Приведенная характеристика также показывает, что чувствительность датчика на один чувствительный элемент выше, чем у известного. Например, при нагрузке 50 кН и напряжении пи- . тания катушки возбуждения, равном 24 В, на один чувствительный элемент приходится 4,7 В, в то время как у известного составляет всего 2 В, т.е. чувствительность предложенного д&тчика в 2,3 раза вьш1е, чем известного. Таким образом, датчик предложенной конструкции имеет высокую чувствительность и прост конструктивно. Это позволяет подключать датчик к элементам автоматики без предварительного усиления и повысить точность измерения усилия. Упрощение конструкции заключается в замене двух катушек возбуждения и двух магнитопроводов одной катушкой и одню магнитопроводом. Последний может быть выполнен из стали марки Ст. 3, что снижает стоимость датчика.

МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК УСИЛИЙ, содержащий измерительные, катушки, катушку возбуждения, компенсаци-: онный и чувствительный элементы и магнитопровод, отличающийс я тем, что, с целью повьлпения чувствительности, он снабжен дополнительными чувствительными, компенсационньти элементами и измерительными катушками, а магнитопровод выполнен в виде цилиндрической катушки с обмоткой возбу}адения, при этом чувствительные и компенсационные элементы расположены по окружности попарно на равноудаленном расстоянии друг от друга, а их продольные оси параллельны продольной оси кат5пвки (Л магнитопровода. а а ;о Л К 0 Фиг.1